Membranbestandteile
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Membranbestandteile • Lipide • Proteine • Kohlenhydrate Membraneigenschaften und -aufbau • Dicke: ca. 5-10 nm • Bestandteile: – Lipide: Phospholipide, Cholesterin, Glykolipide – Proteine: peripher, integral, Glykoprotein Phospholipide • bestehen aus einem hydrophilen Kopf (aus Glycerin-Phosphat-polaren Gruppe zB. Cholin) und einem hydrophoben Schwanz (aus Fettsäurekette (gesättigt oder ungesättigt)) • können in wässrigem Milieu eine Doppelschicht bilden, wobei die hydrophoben Ketten in Kontakt zueinander stehen Phospholipide • mit ungesättigten Fettsäureketten (weisen eine oder mehrere Doppelbindungen auf) bilden einen starren Knick aus (sind daher weniger dicht gepackt) und kürzeren (gesättigte und ungesättigte) Fettsäureketten (-schwänzen) bilden Plasmamembranen die eine höhere Beweglichkeit (Fluidität) aufweisen • mit mehr gesättigte Fettsäuren (mit keiner Doppelbindung) sind dichter gepackt und dies reduziert die Fluidität Glykolipide • Bei Glykolipiden ist statt der Phopsphatsowie der polaren Gruppe (zB. Cholin) am Glycerin eine polare Zuckergruppe gebunden Beispiel für Krankheiten durch Störung im Metabolismus von langkettigen Fettsäuren • kann unter anderem zu geistiger Behinderung führen • unter Umständen ist mit bestimmter Diät bei einigen Formen dieser seltenen Erbkrankheiten eine Besserung zu erzielen Anordnung von Lipiden Lipidmoleküle = amphipathisch: - hydrophiler Kopf - hydrophober Schwanz Cholesterol • bei angeborenen oder erworbenen Störungen im Fettstoffwechsel unter anderem Ablagerungen in Gefäßwänden und Haut möglich • bei seltenem Erbleiden (zB. Smith-Lemli-Opitz-Syndrom, AR-EG) schwere Fehlbildungen durch Störung im Cholesterinstoffwechsel Cholesterol in Lipidschicht • verringert die Fluidität und Permeabilität von Biomembranen • insbesondere bei niedrigerer Temperatur Der Zellkern und die Mitochondrien weisen eine Doppelmembran auf! Asymmetrie in biologischen Membranen • ist eine wichtige Eigenschaft von Zellmembranen ergibt sich vor allem aus einer unterschiedlichen Phospholipid- und Glykolipidverteilung (letztere ausschließlich in der äußeren Lipidlamelle) • kommt durch Austauschvorgänge und chemische Modifikationen (ua. Glykolipidbildung) im Golgi-Apparat zustande Plasmamembranen • sind durch den hydrophoben Bereich in der Lipid-Doppelschicht undurchlässig für wasserlösliche Stoffe und Ionen Glykokalix wird an der Zelloberfläche von Oligosaccharidketten gebildet und besteht aus Oligosaccharidketten der • Membranproteine • Membranglykolipide • Membranproteoglykane Funktionen der Membranproteine • Enzymatische Funktion • Transporter und Kanäle • Rezeptoren • Zell-Zell Verbindungen • Zell-Zell Erkennung • Anheftung der extrazellulären Matrix Diffusionseinschränkung von Membranproteinen • Bindung an Zellcortex (Proteinnetzwerk an cytoplasmatischer Seite der Membran) • Bindung an extrazelluläre Matrix • Bindung an Membranproteine einer anderen Zelle enge Zellverbindungen als Diffusionsbarrieren Membranproteine (nach Lokalisation) • Periphere Proteine sind an innere oder äussere Lipidlamelle angelagert • Integrale Proteine = Transmembran Proteine reichen durch die Lipiddoppelschicht hindurch Transmembranproteine • haben meist eine Alpha-Helixstruktur aber mitunter auch eine Beta-Faltblattstruktur • im Cytoplasma liegen reduzierende Bedingungen vor, wodurch sich in diesem Bereich Disulfidbrücken bei Proteinen nicht ausbilden Plasmamembran - Zellcortex • Da die Plasmamembran sehr dünn und empfindlich gegen mechanische Belastung ist, wird sie durch ein Proteingerüst, den Zellkortex, welches mit der Membran über Transmembranproteine verknüpft ist, verstärkt • besteht z.B. aus einem Spectrin-Actin Netzwerk Stoffaustausch durch Membranen ⇒ Passiver Transport ⇒ Aktiver Transport Passiver Transport • Diffusion • erleichterte Diffusion (Transporter: molekülspezifisch) • Osmose Osmose • Durch semipermeable Membranen können kleine Lösungsmittelmoleküle, wie Wasser, leicht diffundieren • Gelöste Stoffe, also Moleküle, wie Zucker, Salze und Proteine können nicht durch die semipermeable Membran diffundieren, weshalb Konzentrationsdifferenzen davon zur verstärkten Diffusion der Lösungsmittelmoleküle in Richtung zur höheren Konzentration führen • Je mehr gelöste Stoffe, desto höher der osmotische Druck Osmose • In tierischen Zellen wird der osmotische Druck hauptsächlich durch die Na+ - K+ Pumpe ausgeglichen • in Organismen mit Zellwand (Pflanzen, Bakterien) ist dies nicht erforderlich • bestimmte Protozoen (z.B. Amöben) geben Wasser über Vakuolen ab • Tierische Zellen in einer hypotonen Lösung (wenig gelöste Stoffe) werden Wasser aufnehmen und ev. platzen Osmotische Druckmessung kann durch eine Pfeffer‘sche Zelle oder auch durch Bestimmung der Gefrierpunktserniedrigung erfolgen Aktiver Transport • Pumpen: (zB. Na+/K+ Pumpe) – Uniport – Symport – Antiport • Cytosen: – Exocytose – Endocytose Carrier-Transport • ist wesentlich langsamer als Transport durch Ionenkanäle • kann aktiv (gegen Gradienten) oder passiv sein Beispiele für Krankheit durch Störung im Ionentransport • Chlorid-Ionentransport bei Mukoviszidose (Cystischer Fibrose, AR-EG) gestört • weitere Krankheiten wie ua. bestimmte Epilepsieformen usw. + - K+ Pumpe Na • Pumpt aktiv pro ATP-Molekül 3 Na-Ionen aus der Zelle und 2 K-Ionen in die Zelle • verbraucht etwa 30% des zellulären ATP • ist für Kontrolle des osmotischen Gleichgewichts erforderlich Elektrochemischer Gradient • Abhängig von der Konzentration positiv und negativ geladener Ionen an der Innen- und Aussenseite der Zellmembran entsteht ein positives, neutrales oder negatives Membranpotential • Ein entsprechendes Membranpotential kann einen elektrochemischen Gradienten verstärken oder verringern Membran-Polarisierung und Transmembrantransport Membranpolarisierung und –depolarisierung (rasche Umkehrung der Membranladung an der Innen- bzw Aussenseite von positiv zu negativ und umgekehrt) kann die Öffnung und damit Durchlässigkeit von regulierten Ionenkanälen beeinflussen Intrazelluläre Membransysteme • Endoplasmatisches Retikulum • Golgi Apparat • Mitochondrien • Chloroplasten • Lysosomen • Peroxisomen • Zellkern Zytosen • Endozytose - Aufnahme von Substanzen in die Zelle und Umhüllung durch die Oberflächenmembran • Exozytose - Abgabe von Sekreten unter der Einbeziehung der Vesikelmembran in der Oberflächenmembran der Zelle • Transzytose - Transport von membranumschlossenen Substanzen durch die Zelle (Kombination von Endo- und Exozytose) Endozytose • Aufnahme –Phagozytose –Pinozytose Rezeptorvermittelte Endozytose Nach der Bindung eines Substrats an extrazelluläre Rezeptoren lagern sich diese in der Zellmembran eng zusammen und es wird über ein Adaptermolekül an der Membraninnenseite Clathrin angelagert und die Vesikelbildung wird durch die Clathrinund Dynaminwirkung begonnen und abgeschlossen Vesikeltransport • Über vSNAREs (an Vesikeln) und tSNAREs (an den Zielorganellen) wird ein gerichteter Transport von coated vesicles gewährleistet • durch Coatomer-bedeckte Vesikel wird ein nicht-selektiver Vesikeltransport vermittelt • Die Membranverschmelzung (Fusion) mit der Zielstruktur beim Vesikeltransport kann durch Fusionsproteine unterstützt werden Mögliche Wege von endozytierten Transmembranrezeptorproteinen Nach Endozytose werden die Rezeptoren über frühe Endosomen durch Exozytose wieder an die Zelloberfläche transportiert (recycling) sie kommen über frühe und späte Endosomen in Lysosomen und werden abgebaut sie werden durch Transzytose in polaren Zellen zB. von der apikalen zur basalen Zellmembran transportiert
